автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности функционирования машинно-тракторного агрегата за счет совершенствования регулирования топливоподачи двигателя

ШАКИРОВ Ренат Равнлевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МАШИННО-ТРАКТОРНОГО АГРЕГАТА ЗА СЧЕТ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТОПЛИВОПОДАЧИ ДВИГАТЕЛЯ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 1 АПР

Саранск 2011

4844383

Работа выполнена на кафедрах тракторов и автомобилей ФГОУ ВПО «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия» и мобильных энергетических средств ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева»

Научный руководитель: доктор технических наук профессор

Иншаков Александр Павлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук профессор

Славкин Владимир Иванович,

доктор технических наук профессор Чаткин Михаил Николаевич

Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Пензенская государственная

сельскохозяйственная академия»

Защита состоится «12» ДяМ 2011 г. в \л часов на заседании диссертационного совета Д 212.117.06 ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева» по адресу 430904, г. Саранск, п. Ялга, ул. Российская, д. 5.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. М. М. Бахтина ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева» и на сайте www.mrsu.ru

Автореферат разослан «6» апреля 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

В. А. Комаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Основными потребительскими качествами мобильных сельскохозяйственных агрегатов являются производительность, экономичность и надежность. Энергоемкие операции в сельскохозяйственном производстве занимают достаточно большой объем. При их выполнении на машинно-тракторный агрегат (МТА) действует постоянно изменяющаяся нагрузка, колебания которой доходят до 30 - 40 % от величины номинального крюкового усилия. Во время работы двигателя на неустановившихся режимах изменяется характер работы всех его систем, нарушаются термодинамические процессы, существенно снижается средняя частота вращения коленчатого вала, в результате значительно ухудшаются эффективные и экономические показатели работы дизеля. Чтобы в эксплуатации обеспечить стабильность скоростного режима двигатель мобильной машины должен работать с определенным запасом мощности, что в итоге приводит к ее недоиспользованию и снижению производительности МТА. Одним из эффективных способов повышения его производительности и экономичности МТА, является совершенствование системы регулирования топливоподачи путем введения дополнительного регулирующего импульса. Поэтому обоснование и разработка комбинированного способа регулирования топливоподачи по нагрузке и частоте вращения служат резервом в увеличении производительности и экономичности МТА, являются актуальными задачами и имеют важное научное и народно - хозяйственное значение.

Цель работы - повышение эффективности функционирования МТА за счет комбинированного регулирования топливоподачи двигателя по частоте вращения и нагрузке.

Объект исследования - МТА на базе трактора тягового класса 1,4 с двигателем Д-242.

Предмет исследования - закономерности изменения показателей работы двигателя при неустановившейся нагрузке, характерной для эксплуатации МТА.

Положения, выносимые на защиту:

- усовершенствованная математическая модель рабочего процесса тракторного двигателя;

- комбинированный способ регулирования топливоподачи двигателя МТА по частоте вращения и нагрузке;

- экспериментальные данные, подтверждающие целесообразность комбинированного регулирования при эксплуатации МТА.

Научная новизна работы:

- усовершенствована математическая модель рабочего процесса двигателя МТА в динамических режимах;

- сформулированы требования, предъявляемые к способу комбинированного регулирования топливоподачи двигателя МТА по частоте вращения и нагрузке;

- разработан датчик по нагрузке для фиксирования изменения сопротивления почвы и обоснована схема модернизированной системы регулирова-

ния топливоподачи;

- получены экспериментальные данные, подтверждающие целесообразность установки подобных устройств при эксплуатации МТА.

Практическую ценность результатов исследования составляют:

- усовершенствованная методика расчета динамических характеристик двигателя МТА;

- датчик нагрузки, позволяющий определить текущее значение твердости (плотности) почвы во время работы МТА;

- апробированный способ улучшения эксплуатационных качеств двигателя МТА.

Реализация работы. Разработки используются в учебном процессе и научных исследованиях кафедр тракторы и автомобили, эксплуатация машинно-тракторного парка ФГОУ ВПО «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия», кафедры мобильных энергетических средств ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева»; разработки апробированы в ФГУП УОХ «Июльское» Боткинского района Удмуртской Республики.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях ФГОУ ВПО «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия» (Ижевск, 2003-2010 гг.), научно-технических конференциях ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева» (Саранск, 2004-2010 гг.), научно-технических конференциях ФГОУВПО «Казанский государственный аграрный университет» (г. Казань, 2009-2010 гг.).

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 9 работах, в том числе в двух изданиях, входящих в перечень ВАК, получено положительное решение о выдаче патента на полезную модель № 2010145375/28(065431) «Прибор для определения влияния твердости почвы на показатели двигателя машинно-тракторного агрегата с беспроводной передачей сигнала».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 131 странице компьютерного текста, включает 46 рисунков и 15 таблиц, список литературы содержит 163 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность работы, ее практическая значимость, цель исследования, а также сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» на основе работ Л. Е. Агеева, В. А. Аллилуева, В. И. Астахова, Р. М. Баширова, В. Н. Болтинского, Б. П. Загородских, А. П. Иншакова, Г. М. Кутькова, А. С. Лы-

2

шевского, А. В. Николаенко, А. В. Неговора, Н. Н. Патрахальцева, В. Н. Попов, А. П. Савельева, В. И. Славкина, Б. Н. Файнлейба, Ю. Я. Фомина, М. Н. Чатки-на, А. К. Юлдашева и других ученых определены направления совершенствования функциональных показателей двигателей МТА.

Анализ показал, что во время работы двигателя на неустановившихся режимах изменяется характер работы всех систем дизельного двигателя, нарушаются термодинамические процессы, происходит общее ухудшение его работы, значительно снижаются эффективные и экономические показатели. Одной из причин снижения эффективности работы двигателя МТА является то, что всережимный регулятор начинает регулирование после того, как двигатель входит в переходный процесс при фазовом сдвиге между угловой скоростью и положением рейки топливного насоса.

Анализ способов улучшения регулирования топливоподачи тракторных дизелей позволил выдвинуть гипотезу о том, что комбинированное регулирование топливоподачи по частоте вращения и нагрузке является резервом в улучшении эксплуатационных показателей МТА.

На основании изучения литературных источников и в соответствии с поставленной целью в настоящей работе сформулированы следующие задачи исследования:

- усовершенствовать математическую модель рабочего процесса двигателя МТА в динамических режимах;

- провести теоретическое исследование рабочего процесса двигателя по обоснованию способа регулирования топливоподачи по частоте вращения и нагрузке;

- провести экспериментальные исследования с целью оптимизации параметров регулирования;

- провести стендовые моторные испытания тракторного двигателя с целью оценки показателей его работы при использовании различных способов регулирования;

- на основании теоретических и экспериментальных исследований разработать датчик, контролирующий характер нагружения МТА;

- провести оценку показателей эффективности использования МТА при применении различных способов регулирования.

Во второй главе «Теоретические исследования» разработана усовершенствованная математическая модель переходного процесса двигателя МТА.

При математическом моделировании воспроизводилось изменение скоростного режима двигателя с учетом изменения положения органа управления топливоподачей. Для этого уравнение двигателя было представлено в виде:

ТА(Ьр/(11 + Кй<р =-ц-3, (1)

где ТА - коэффициент, характеризующий относительную инерционность регулируемого объекта; / - время регулирования, с; К,> - коэффициент, характеризующий способность регулируемого объекта к самовыравниванию (коэффициент самовыравнивания); <р - коэффициент неравномерности изменения угловой скорости; ц - коэффициент неравномерности изменения положения рейки топливного насоса; <5 - степень

неравномерности изменения момента сопротивления.

Переходные процессы изменения момента сопротивления и цикловой подачи условно разделялись на три фазы (рис. 1). Во время первой фазы происходит увеличение цикловой подачи топлива за счет импульса по нагрузке, при этом нагрузка двигателя не изменяется. Вторая фаза процесса характеризуется резким увеличением нагрузки, цикловая подача топлива в это время не изменяется. В третьей фазе регулирование возвращается в исходное состояния.

действительное шмененпе момента сопротивления;

— принимаемое изменение момента сопротивления;

— изменение момента сопротивлешш от датчика;

— изменение цикловой подачп топлива;

- действительное изменение цикловой подачи топлива

Рисунок 1 - Характер изменения момента сопротивления и цикловой

подачи

Во время первой фазы переходного процесса при постоянном моменте сопротивления увеличивается цикловая подача топлива до максимальной величины. Основной задачей процесса регулирования является устранение динамического запаздывания увеличения цикловой подачи в момент резкого на-броса нагрузки.

По характеристике первой фазы переходного процесса степень неравномерности изменения момента сопротивления 3-0. Тогда уравнение двигателя будет иметь следующий вид:

Тд с!<р, / Ш + Кд (р, = - ц, (2)

где <рI - коэффициент неравномерности изменения угловой скорости в первой фазе регулирования.

Данное уравнение - линейное дифференциальное уравнение первого по-

рядка. Оно является неоднородным, поэтому его общий интеграл находится в виде суммы общего интеграла однородного уравнения <рс/ и частного интеграла неоднородного уравнения <р,/.

<р1 = <Рс1 + 4>ч1- (3)

Решение дифференциального уравнения будет иметь следующий вид:

<р,= п[\-^к'-,1ТЛ>]/Кл. (4)

Данное уравнение показывает относительное изменение частоты вращения вала двигателя во время первой фазы переходного процесса, когда требуется устранить динамическое запаздывание увеличения цикловой подачи топлива относительно повышения момента сопротивления. Двигатель должен увеличить мощность без положительного заброса частоты вращения коленчатого вала.

Во второй фазе переходного процесса при постоянной цикловой подаче топлива резко увеличивается момент сопротивления. В этом случае уравнение двигателя (1) будет выглядеть следующим образом:

Тд с1грп / Л + К,) <р„ = - (5)

где (рц - коэффициент неравномерности изменения угловой скорости во второй фазе регулирования.

Это уравнение также является линейным дифференциальным уравнением первого порядка. Оно неоднородно, поэтому его общий интеграл отыскивается по выражению, аналогичному уравнению (3):

Ч>И = <Рс11 + <Р„П- (6)

Решение дифференциального уравнения будет иметь следующий вид:

<р„ = д[\-е(-Кдч/п>]/Кд. (7)

Задачей регулятора по нагрузке во время второй фазы переходного процесса является обеспечение повышения крутящего момента в соответствии с увеличением момента сопротивления. В этой ситуации идеальным вариантом работы системы двигатель - нагрузка является случай, когда увеличение крутящего момента двигателя происходит с той же степенью, что и увеличение момента сопротивления, то есть на всем протяжении периода наброса нагрузки выполняется условие установившегося режима работы двигателя:

Мкр = М„ (8)

где М№ - крутящий момент двигателя, Н м; Мс - момент сопротивления, Н-м.

Таким образом, математическая модель переходного процесса при регулировании двигателя по частоте вращения и нагрузке представляет собой систему двух уравнений:

(<р, = ц [1 -е(-Кд"тй>\/Кд при 0 </< /ь

(9)

?„ = (5[1- е('Кд "п>]/Кд при h<t<h,

где t - время регулирования, с; t\ - время завершения первой фазы регулирования, с; /2 - время завершения второй фазы регулирования, с.

Чтобы получить оптимальные значения параметров регулирования ц и / необходимо выполнение условия

(р—*■ min. (10)

Основным возмущающим воздействием на двигатель МТА является нагрузка, поэтому определение оптимальных параметров регулирования производилось при заданных значениях степени неравномерности момента сопротивления <5, которое выражается следующей зависимостью:

М -М ■

^ __ с шах с тт 01*)

мср

где Мстах - наибольшее значение момента сопротивления на валу двигателя, Нм; Мстщ ~ наименьшее значение момента сопротивления на валу двигателя, Н-м; Мср -среднее значение момента сопротивления на валу двигателя, Н-м.

Результаты математического моделирования представлены на рис. 2 и 3.

гЧСООСПОг^-НГЧГЧГОГ^ТиЧЮШГЧГ-МООО Ф »н «-н гд г^ гч 'Н ^ о ^ N N N О ^ ^ ^ о* о* о* о* о о* о' о" о* о* о о о о о о

6

Рисунок 2 - Зависимость оптимальных значений коэффициента неравномерности изменения положения рейки топливного насоса ц от степени неравномерности момента сопротивления <5

б

Рисунок 3 - Зависимость оптимальных значений времени регулирования / от степени неравномерности момента сопротивления 3

Как видно из полученных зависимостей, значения коэффициента неравномерности изменения положения рейки топливного насоса ц и времени регулирования г возрастают с увеличением степени неравномерности момента сопротивления 5, что было в дальнейшем было учтено при практической реализации комбинированного способа регулирования топливоподачи.

В третьей главе «Методика экспериментальных исследований» рассмотрены вопросы общей и частной методик экспериментальных исследований.

Стендовые испытания проводились на экспериментальной установке, включающей дизельный двигатель Д-242, электрический бапансирный испытательный стенд БАК-Ы 670 на базе машины постоянного тока, контрольно-измерительную и регистрирующую аппаратуру (рис. 4).

Весь объем экспериментальных исследований согласно поставленным задачам был разделен на пять этапов. На первом этапе снималась стационарная характеристика двигателя. На втором этапе получены динамические характеристики двигателя при регулировании топливоподачи по нагрузке. На третьем этапе снимались динамические характеристики двигателя при опытном и все-режимном регулировании двигателя. Четвертый этап исследований проводился на почвенном канале. На пятом этапе осуществлялись полевые испытания при использовании опытного и серийного двигателей.

Разработанная программа обработки сигналов при безмоторных и моторных испытаниях двигателя позволила синхронно получать информацию одновременно со всех датчиков и производить статистическую обработку получаемых данных. Структурная схема испытательно-вычислительного комплекса для проведения испытательно-регулировочных работ представлена на рис. 5.

Рисунок 4 - Общий вид испытательного стенда БАК-Ы 670

Рисунок 5 - Структурная схема автоматизированного комплекса

Для определения изменения нагрузки в зависимости от твердости почвы был разработан датчик (рис. 6, получено положительное решение на выдачу патента № 2010145375/28(065431) от 08.11.2010).

Рисунок 6 - Датчик для определения зависимости нагрузки от твердости почвы Датчик (рис. 7) представляет собой деформатор 1, укрепленный на тен-зометрической стойке 3, на которую наклеены тензорезисторы 4, регистрирующие изгибающий момент, пропорциональный сопротивлению движения деформатора. Перед стойкой установлен нож 2, разгружающий последнюю. Деформатор имеет конусовидную форму с площадью поперечного сечения 3 см2 и углом образующей 22°30'. Схема наклейки и включения тензорезисторов показана на рис. 8. Тарировка датчика производится на тарировочном стенде путем нагружения от 0 до 480 Н, что соответствует твердости почвы от 0 до 163 Н/см2.

Датчик крепится к кронштейну, жестко соединенному с передним навесным устройством трактора, и воспроизводит характер изменения нагрузки на двигатель в виде усилия изгиба, приложенного к вертикальной стойке (рис. 8).

Рисунок 7 - Схема датчика для определения зависимости нагрузки от твердости почвы

Рисунок 8 - Установка датчика нагрузки на трактор

Обработку экспериментальных данных осуществляли на персональном компьютере с помощью пакета программ N1 LabVIEW 7.1, Statistica 6.0, Excel 2003, Statgraphics 3.0.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований и их анализ» приведены результаты экспериментальных исследований. На основании данных первого этапа исследований построены регуляторные характеристики двигателя.

Для оптимизации параметров регулирования переходный процесс двигателя во время второго этапа исследований оценивался по изменению скоростного режима. В качестве оценивающих параметров использовались положительный заброс частоты вращения Y\, общий заброс частоты вращения У2 и наибольшее ускорение коленчатого вала У3. В результате были получены регрессионные зависимости этих величин от параметров регулирования.

Зависимости положительного заброса частоты вращения от параметров регулирования на различных режимах представлены уравнениями:

1ио85№„) = 56,66 + 18,75X1 + 2ОХ2 + 7,5X,X2 - 15,84Х,2 - 8,34Х22, (12) iuo,9o№„) = 46,66 + 15,63Х, + 23,13^2, (13)

Y\ (0,95м.о = 43,33 + 19,3 8Х, + 18,75Х2, (14)

9

35 + 22,5*,+ 21,25*,, (15)

где Х\ - максимальная подача топлива от номинального положения рейки топливного насоса, мм.

Хг - время регулирования, с.

Зависимости общего заброса частоты вращения от параметров регулирования представлены уравнениями:

r2(0,85,ve„) = 309,9 - 55,63*, + 87,5*2 + 359,4*3 +

+ 104,З*,2 + 95,55*22 + 191,8*32, (16)

У2(о,здлад = 344,9 - 65,63* + 115*2 + 366,9*3 +

+ 76,8*,2 + 145,5Х22 + 164,3*32, (17)

471,6+ 108,1*2 +362,5*3, (18)

^2(1,00^,0 = 484,9 + 99,38*2 + 370,6*3 + 129,9*32, (19) где X) - степень изменения момента сопротивления.

Зависимости ускорения коленчатого вала от параметров регулирования представлены уравнениями:

Гз(о,85№„)= 130,2-24,76*,+ 34,lAi+ 161,4*3 +

+ 38,25Х|2 + 126,6*32, (20)

157,8 - 30,84*, + 42,94*2 + 200,1*3 -

- 47,7*,*3 + 36,8*2*, + 24,34*,2 + 46,69*22 + 119,7*32, (21)

Уз(0,95№„) = 184,3 - 48,91*, + 194,9*3 + 93,17*32, (22) ^3(i,oo№„) = 159,9 29,96*, + 32,06*2 + 219,1*3 -

- 42*i*2 + 48,43*2*3 + 34,09*,2 + 58,04*22 + 136,7*32. (23) По данным уравнениям видно, что наиболее значимым фактором,

влияющим на изменение ускорения, является степень неравномерности момента сопротивления. Наибольшее воздействие данный фактор оказывает на режиме полной загрузки двигателя.

Третий этап согласно методике проведения испытаний, включал исследование переходного процесса тракторного двигателя в серийном и опытном вариантах с последующим сравнением результатов. Результаты сравнения при степени неравномерности момента сопротивления S = 0,18 приведены на рис. 9-15.

—Всережпмпое ♦Комбинированное

Рисунок 9 - Изменение момента сопротивления 10

-♦-Всережтшое -«-Комбинированное

Рисунок 10 - Изменение крутящего момента

"•"Всеоежншгсе -•-Комбгшированное

Рисунок 11 - Изменение частоты вращения

\

\

О 0.2 0.4 0,6 0,8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2,2 2.4 2.6 2,8 -♦-Всережнмное -•"Комбинированное с

Рисунок 12 - Изменение расхода топлива 11

I, с

-♦-Всережнмное -»-Комбинированное

Рисунок 13 - Изменение эффективной мощности

-•-Всережнмное ♦Комбинированное

-♦-Всережнмное -«-Комбнннро ванное

Рисунок 15 - Изменение коэффициента избытка воздуха

По результатам испытаний видно, что предлагаемое регулирование топ-ливоподачи тракторного дизеля обеспечивает меньшие забросы частоты вращения двигателя и улучшение в целом всех эксплуатационных показателей.

На четвертом этапе исследований были получены значения нагрузки, создаваемой почвой на деформаторе опытного датчика (см. рис. 7), и твердости почвы, замеряемой твердомером Ревякина. В результате было установлено, что существует тесная взаимосвязь закономерности изменения твердости почвы и изменения нагрузки на опытном датчике (рис. 19).

н

450

350 300 250 200 150 100 50

Твердость

Нагрузка

\МПа н

' 18 450

16 400

и 350

12 300

10 250

08 200

06 150

04 100

02 50

«г-а? ТлГУ

12 31, 56 78 9Ю б

Н МПа н МПа

Твердость

450 / Л I— 18 450 Твердость / 1.В

400 Л м А\ /Я Л /к 16 400 16

350 14 350 А 1л л 11Л и

300 \/ V \ /у V/ 12 330 12

250 V и у у 10 250 т\ гЛк Ч 10

200 / 0.8 200 0.8

150 / Нагрузка 0.6 150 / * V 0.6

100 ОА 100 / Нагрузка 0.4

50 II II I ) М I I II I I I I I I I 0.2 50 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0.2

1231 56 73 910 в

12 % 16 18

12 34 56 78 9Ю г

12 14 16 Ш

Рисунок 19 - Значение твердости почвы и нагрузки, создаваемой почвой на датчике при различных почвенных фонах (а - суглинок; б - супесь; в - глина; г - чернозем)

Значение коэффициента достоверности аппроксимации В2 при анализе полученных данных по твердости и нагрузке составляет 0,81 - 0,92.

На основании полученных данных было создано опытное устройство комбинированного регулирования топливоподачи функциональная схема которого представлена на рис. 20.

Рисунок 20 - Функциональная схема устройства топливоподачи комбинированного регулирования

На пятом этапе исследований были проведены полевые испытания МТА. Данные статистической обработки результатов (табл. 1) сравнительных испытаний МТА в базовом и опытном вариантах при пахоте плугом ПЛН-3-35 и предпосевной обработке почвы культиватором КПС-4 показывают, что эффект от применения на двигателе разработанного регулятора по нагрузке различен в зависимости от скорости движения трактора и его загрузки.

Таблица 1 - Математические ожидания показателей функционирования МТА в базовом (числитель) и опытном (знаменатель) вариантах

Показатель Отвальная пахота плугом ПЛН-3-35 Предпосевная обработка почвы

V передача VI передача VI передача VII передача

1 2 3 4 5

Обороты коленчатого вала п, об/мин 1670/1810 1640/1800 1720/1830 1740/1820

Рабочая скорость Ут, м/с 1,85/1,87 2,12/2,18 2,23/2,27 2,40/2,44

Доля времени работы двигателя на корректоре к, % 35,3/24,5 41,7/35,7 34,5/23,9 44,3/25,3

Продолжение табл. 1

1 2 3 4 5

Коэффициент избытка воздуха, а 1,25/1,30 1,38/1,39 1,38/1,41 1,22/1,35

Температура отработавших газов перед турбиной, tTr° С 465/434 462/440 451/430 460/436

Удельный эффективный расход топлива, gc, г/кВт- ч 253/241 254/240 248/244 257/244

Коэффициент использования мощности двигателя, Кце 0,88/0,94 0,87/0,95 0,86/0,92 0,89/0,94

Часовая производительность, W4, га/ч 0,594/0,615 0,681/0,720 2,890/3,011 3,110/3,250

Анализ полученных данных показывает, что в опытном варианте сред-неэксплуатационные показатели двигателя и машинно-тракторного агрегата в целом улучшаются по сравнению с базовыми. Так, например, теплонапряжен-ность двигателя уменьшалась на 5-6 %, эффективная мощность за счет улучшения качества процесса сгорания в переходных процессах повысилась на 69%, удельный эффективный расход топлива снизился на 1,6-5,5 %, при увеличении производительности МТА на 3,7-5,8 %.

В пятой главе «Оценка экономической эффективности» рассмотрены вопросы технико-экономической эффективности предложенных мероприятий.

Результаты расчетов показали, что при годовой загрузке МТА на базе трактора МТЗ-80 в 1 300 ч применение комбинированного способа регулирования топливоподачи по частоте вращения и нагрузке позволит сэкономить 0,81 т дизельного топлива. По ценам на 01.01.2011 г годовой экономический эффект составит 22 325 рублей на один МТА.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Усовершенствована математическая модель рабочего процесса двигателя, позволяющая определять закономерности изменения скоростного режима в зависимости от действующих возмущений: опережающего увеличения цикловой подачи топлива и степени неравномерности момента сопротивления.

2. На основании моделирования изменения момента сопротивления обоснованы значения положений рейки топливного насоса (//=0,13...0,30) и времени регулирования (<=0,45... 1,00 с), при которых достигается условие минимума «провала» частоты вращения в переходных процессах наброса нагрузки.

3. На основании теоретических и экспериментальных исследований получены регрессионные зависимости, позволяющие определять изменения показателей скоростного режима двигателя МТА - положительный заброс частоты вращения, общий заброс частоты вращения, ускорение коленчатого вала и оптимизировать относительно их параметры комбинированного регулирования топливоподачи (й=0,66...2,00 мм, í=0,54...1,00 с).

4. На основании стендовых моторных испытаний доказана необходимость опережения увеличения цикловой подачи топлива относительно увеличения момента сопротивления двигателя МТА. При значениях степени неравномерности момента сопротивления ó = 0,18...0,30 комбинированное регулирование позволит уменьшить заброс частоты вращения на 100...400 мин'1, сократить время переходного процесса на 0,4...0,8 с.

5. Разработан оригинальный датчик измерения нагрузки, позволяющий в экспериментальных условиях реализовать способ комбинированного регулирования топливоподачи по частоте вращения и нагрузке (положительное решение на выдачу патента по заявке № 2010145375/28(065431) от 08.11.2010 г.).

6. Использование комбинированной системы регулирования топливоподачи по частоте вращения и нагрузке при выполнении МТА энергоемких сельскохозяйственных работ позволит увеличить его производительность на 3,7...5,8 %, сэкономить 0,81 т дизельного топлива. При годовой загрузке в 1300 ч экономический эффект составит 22 325 руб. в год на один МТА.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

Статьи в рецензируемых журналах из списка ВАК РФ

1. Шакиров Р. Р. Совершенствование системы регулирования дизеля введением дополнительного импульса по нагрузке / Р. Р. Шакиров, А. П. Инша-ков, Д. А. Вахрамеев // Политематический сетевой электронный научный журнал КубГАУ. - 2010. - № 63 (09). - Режим доступа : http://ei.kubagro.ru/2010/09/pdf/23.pdf.

2. Шакиров Р. Р. Определение оптимальных параметров регулирования по нагрузке в переходных процессах / Р. Р. Шакиров, Д. А. Вахрамеев // Вестн. Казан. ГАУ. - 2010. - № 2(16). - С. 125 - 126.

Авторские свидетельства и патенты

3. Положительное решение о выдаче патента по заявке № 2010145375/28(065431). Прибор для определения влияния твердости почвы на двигатель машинно-тракторного агрегата с беспроводной передачей сигнала / Р. Р. Шакиров, Д. А. Вахрамеев, И. Г. Поспелова; заявитель и патентообладатель ФГОУВПО «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия». -№ 2010145375/28; заявл. 08.11.10.

Статьи в других изданиях, включая труды всероссийских и международных научно-технических конференций

4. Вахрамеев Д. А. Совершенствование уравнения движения двигателя /

Д. А. Вахрамеев, Н. В. Ворончин, Р. Р. Шакиров // Улучшение технико-эксплуатационных показателей мобильной техники : материалы 14-й науч.-практ. конф. вузов Приволжья и Предуралья (Ижевск, 2-3 дек. 2003 г.). - Сарапул, 2003. - С. 52 - 57.

5. Вахрамеев Д. А. Система измерения расхода топлива двигателем в динамических режимах / Д. А. Вахрамеев, О. Б. Крыль, Р. Р. Шакиров // Улучшение технико-эксплуатационных показателей мобильной техники : материалы 14-й науч.-практ. конф. вузов Приволжья и Предуралья (Ижевск, 2-3 дек. 2003 г.). - Сарапул, 2003. -С. 57-58.

6. Вахрамеев Д. А. Изменение инертности МТА как способ снижения динамических потерь / Д. А. Вахрамеев, Р. Р. Шакиров // Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем : материалы Междунар. науч.-практ. конф., Саранск, 27-29 окт. 2004 г. - Саранск, 2004. -С. 257-259.

7. Селифанов С. Е. Совершенствование работы машинно-тракторного агрегата при резких колебаниях нагрузки / С. Е. Селифанов, Д. А. Вахрамеев, Р. Р. Шакиров // Актуальные проблемы механизации сельского хозяйства: Материалы юбилейной науч.-практ. конф. «Высшему агроинженерному образованию в Удмуртии - 50 лет». - Ижевск, 2005. - С. 222 - 224.

8. Шакиров Р. Р. Особенности работы машинно-тракторного агрегата на неустановившихся режимах / Р. Р. Шакиров, Д. А. Вахрамеев // Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики : материалы 5-й Всерос. науч.-техн. конф. «АНТЭ-2009» (Казань, 12-13 нояб. 2009 г.). - Казан, 2009.-С. 16-18.

9. Иншаков А. П. Повышение эффективности работы двигателя машинно-тракторного агрегата / А. П. Иншаков, Р. Р. Шакиров, Д. А. Вахрамеев // Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем : межвуз. сб. науч. тр. - Саранск, 2010. - С. 132 - 136.

Подписано в печать 23.03.11. Объем 1,0 п. л. Тираж 100 экз. Заказ ЛГ° 426. Типография Издательства Мордовского университета 430005, г. Саранск, ул. Советская, 24

ВВЕДЕНИЕ.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИСЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Особенности функционирования двигателя МТА.

1.2 Особенности управления топливоподачей при двухимпульсном регулировании двигателя МТА.

1.2.1 Двухимпульсные регуляторы по частоте вращения и ускорению коленчатого вала двигателя.

1.2.2 Система двухимпульсного регулирования по частоте вращения и давлению наддувочного воздуха.

1.2.3 Особенности функционирования двухимпульсных регуляторов по частоте вращения и нагрузке.

1.3 Цель и задачи исследования.

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1 Общие положения моделировании переходных процессов тракторного дизеля.

2.2 Математическая модель переходного процесса двигателя МТА.

2.2.1 Математическая модель первой фазы переходного процесса.

2.2.2 Математическая модель второй фазы переходного процесса.'

2.2.3 Определение значений коэффициентов дифференциальных уравнений.

2.3Результаты теоретических исследований.

3 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1 Программа исследования.

3.2 Методы стендовых испытаний.

3.3 Структура информационного обеспечения испытаний двигателя.

3.4Планирование опытов, их проведение и контроль.

3.5Методика выбора параметров измерительного комплекса.

3.6Оценка погрешностей измерения.

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

И ИХ АНАЛИЗ.

4.1. Исследование дизеля Д-242 на стационарных режимах.

4.2 Определение оптимальных параметров регулятора по нагрузке.

4.3 Обоснование выбора параметров регулятора.

4.4 Результаты сравнения работы двигателя при использовании различных методов регулирования.

4.5Результаты взаимосвязи между нагрузкой создаваемой на опытном регуляторе и твердостью почвы.

4.6 Результаты полевых испытаний в базовом и опытном вариантах. Ю

4.7 Выводы по главе 4.

5. ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ. Н

ОБЩИЕ ВЫВОДЬ1И РЕКОМЕНДАЦИИ.

Основными потребительскими качествами мобильных сельскохозяйственных агрегатов являются производительность, экономичность и надежность. Энергоемкие операции в сельскохозяйственном производстве занимают достаточно большой объем. При их выполнении на машинно-тракторный агрегат (МТА) действует постоянно изменяющаяся нагрузка, колебания которой доходят до 30 — 40 % от величины номинального крюкового усилия. Во время работы двигателя на неустановившихся режимах изменяется характер работы всех его систем, нарушаются термодинамические процессы, существенно снижается средняя частота вращения коленчатого вала, в результате значительно ухудшаются эффективные и экономические показатели работы дизеля. Чтобы в эксплуатации обеспечить стабильность скоростного режима двигатель мобильной машины должен работать с определенным запасом мощности, что в итоге приводит к ее недоиспользованию и снижению производительности МТА. Одним из эффективных способов повышения его производительности и экономичности МТА, является совершенствование системы регулирования топливоподачи путем введения дополнительного регулирующего импульса. Поэтому обоснование и разработка комбинированного способа регулирования топливоподачи по нагрузке и частоте вращения служат резервом в увеличении производительности и экономичности МТА, являются актуальными задачами и имеют важное научное и народно -хозяйственное значение.

Цель работы - повышение эффективности функционирования МТА за счет комбинированного регулирования топливоподачи двигателя по частоте вращения и нагрузке.

Объект исследования - МТА на базе трактора тягового класса 1,4 с двигателем Д-242:

Предмет исследования - закономерности изменения показателей работы двигателя при неустановившейся нагрузке, характерной для эксплуатации МТА.

Положения, выносимые на защиту:

- усовершенствованная математическая модель рабочего процесса тракторного двигателя;

- комбинированный способ регулирования топливоподачи двигателя МТА по частоте вращения и нагрузке;

- экспериментальные данные, подтверждающие целесообразность комбинированного регулирования при эксплуатации МТА.

Научная новизна работы:

- усовершенствована математическая модель рабочего процесса двигателя МТА в динамических режимах;

- сформулированы требования, предъявляемые к способу комбинированного регулирования топливоподачи двигателя МТА по частоте вращения и нагрузке;

- разработан датчик по нагрузке для фиксирования изменения сопротивления почвы и обоснована схема модернизированной системы регулирования топливоподачи;

- получены экспериментальные данные, подтверждающие целесообразность установки подобных устройств при эксплуатации МТА.

Практическую ценность результатов исследования составляют:

- усовершенствованная методика расчета динамических характеристик двигателя МТА;

- датчик нагрузки, позволяющий определить текущее значение твердости (плотности) почвы во время работы МТА;

- апробированный способ улучшения эксплуатационных качеств двигателя МТА.

Реализация работы. Разработки используются в учебном процессе и научных исследованиях кафедр тракторы и автомобили, эксплуатация машинно-тракторного парка ФГОУ ВПО «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия», кафедры мобильных энергетических средств ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева»; разработки апробированы в ФГУП УОХ «Июльское» Боткинского района Удмуртской Республики.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях ФГОУ ВПО «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия» (Ижевск, 20032010 гг.), научно-технических конференциях ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева» (Саранск, 2004-2010 гг.), научно-технических конференциях ФГОУВПО «Казанский государственный аграрный университет» (г. Казань, 2009-2010 гг.).

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 9 работах, в том числе в двух изданиях, входящих в перечень ВАК, получено положительное решение о выдаче патента на полезную модель № 2010145375/28(065431) «Прибор для определения влияния твердости почвы на показатели двигателя машинно-тракторного агрегата с беспроводной передачей сигнала».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 131 странице компьютерного текста, включает 46 рисунков и 15 таблиц, список литературы содержит 163 наименования.